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Projet conjoint "Énergie hydroélectrique et géothermique"

 

La transition vers un système énergétique décarboné nécessite le développement des technologies en place telles que l’hydroélectricité, mais aussi de nouvelles sources d’énergie comme la chaleur ou l’électricité géothermique. Ce projet contribue sensiblement à cet objectif en mettant en évidence le potentiel de nouvelles centrales hydroélectriques et en faisant progresser notre compréhension du sous-sol et des processus liés à son exploitation.

Description du projet (Projet de recherche terminé)

L’objectif de la Stratégie énergétique 2050 est de réduire sensiblement les émissions de CO2 liées à la production d’énergie, tout en se désengageant du nucléaire. Ceci nécessite le développement de nouvelles sources d’énergie comme l’électricité et la chaleur géothermiques, l’adaptation et le renforcement des sources existantes comme l’hydroélectricité, ainsi que le recours à des solutions complémentaires comme le stockage géologique du CO2.

Objectif

Le recours à l’énergie géothermique et au stockage géologique du CO2 exige de surmonter l’obstacle que représente le manque de connaissance du sous-sol. De nouvelles techniques d’exploration géophysique et des outils de simulation numérique ont été développés pour remédier à ce problème. Pour l’hydroélectricité, le défi consistera à accroître la production tout en adaptant son infrastructure et ses stratégies de fonctionnement à des paramètres tels que le changement climatique et les exigences d’écologie aquatique. Des sous-projets étaient menés pour comprendre le potentiel (et les défis) de nouvelles centrales hydroélectriques en environnement périglaciaire, d’un traitement amélioré des sédiments dans les installations de dessablage, et de schémas de prévision et d’exploitation améliorés tenant compte de critères économiques et aqua-écologiques.

Résultats

Les systèmes géothermiques améliorés ou EGS (Enhanced geothermal systems), parfois aussi désignés par le terme de géothermie des roches profondes, ne nécessitent pas de perméabilité naturelle mais fonctionnent par stimulation hydraulique. Un certain nombre de schémas prévisionnels développés à cet effet contribueront au développement des EGS. À l’inverse, il est apparu que la formation de Muschelkalk supérieur située sous le Plateau suisse n’est généralement pas adaptée à la production d’électricité hydrothermique. Le Muschelkalk supérieur représente une capacité de stockage d’environ 50 millions de tonnes de CO2, un ordre de grandeur inférieur au potentiel théorique estimé dans le cadre du projet CARMA (CARbon dioxide MAnagement in power generation).

Des sites potentiellement adaptés à la création d’une retenue d’eau en vue de la construction de nouvelles centrales hydroélectriques dans l’environnement périglaciaire suisse ont été sélectionnés à hauteur d’une production potentielle de 1,1 TWh/an. De nouvelles directives de conception pour des installations de dessablage rallongées ont été développées à l’intention des ingénieurs concepteurs. Pour certains captages, l’amélioration des prévisions météorologiques et hydrologiques peut conduire à un gain de production moyen de 4 % à 6 % par an. La compréhension et l’atténuation des risques associés à la géothermie et à l’hydroélectricité a progressé grâce à diverses approches.

Importance

Implications pour la recherche

De nouveaux outils logiciels procurent un banc d’essai virtuel pour le développement de protocoles de stimulation hydraulique efficaces et sans risques sur le plan sismique. Des techniques géophysiques inédites permettent la caractérisation détaillée des fractures hydrauliques actives autour des forages. De nouvelles approches expérimentales mettent en évidence le comportement des fractures en cas de stimulation par cisaillement hydraulique en conditions de réservoir.

Le modèle de transport des sédiments infraglaciaires développé dans le cadre de ces travaux est le premier de son genre à être calibré avec des données. Cela représente un progrès majeur dans la capacité à comprendre la réponse au recul des glaciers en termes de dépôt de sédiments. L’étude comparative des paramètres à l’aide d’un autre modèle numérique a permis de relier l’efficacité du piégeage à diverses caractéristiques de conception géométriques et structurelles des installations de dessablage. Le projet a également démontré le potentiel des systèmes de prévisions hydro-météorologiques dans l’optimisation des installations hydroélectriques en zone alpine.

Implications pour la pratique

Les outils logiciels fraîchement développés serviront aux travaux de R&D nécessaires pour faire progresser la stimulation hydraulique géothermique d’un procédé par tâtonnement à une véritable démarche d’ingénierie. Les nouvelles techniques géophysiques de forage contribuent à la planification et à la mise en œuvre de la stimulation hydraulique et des retenues d’eau. Les éventuelles investigations en vue du stockage de CO2 dans le Muschelkalk supérieur devraient se concentrer sur la zone entre Olten et Schaffhouse.

Le cadre d’évaluation des nouvelles centrales hydroélectriques en environnement périglaciaire permet de sélectionner de nouvelles installations potentielles visant à réaliser les objectifs de la stratégie énergétique 2050. Les nouvelles directives de conception des installations de dessablage pourraient être largement utilisées au sein de la communauté des ingénieurs en hydraulique. Cela contribuerait à la durabilité de l’hydroélectricité en réduisant l’abrasion et l’usure, ainsi qu’en améliorant l’efficacité des installations. L’utilisation opérationnelle des systèmes de prévisions météorologiques/hydrologiques pourrait accroître les recettes des installations hydroélectriques existantes moyennant un coût relativement modéré.

Les nouvelles méthodes permettent aux professionnels de différents domaines d’employer des processus décisionnels tenant compte des risques, par exemple pour déterminer la sismicité induite des projets géothermiques, les risques de rupture de digue ou de glissements de terrain, voire le rapport optimal de vent ou de photovoltaïque nécessaire pour pallier les pénuries d’électricité saisonnières. Enfin, l’analyse de la communication des risques fournit des pistes sur la façon d’interagir avec le public, par exemple en matière d’acceptation de nouveaux projets géothermiques.

Titre original

Supply of electricity for 2050: hydropower and geo-energies

Responsables du projet

Directeur du projet conjoint

  • Prof. Domenico Giardini, Institut für Geophysik, ETH Zürich

Directeur adjoint du projet conjoint

  • Prof. François Avellan, Direktor, Laboratoire de machines hydrauliques, EPF Lausanne

Projets joints

Ce projet conjoint se compose de sept projets de recherche

Exploration and characterization of deep underground reservoirs

  • Prof. Larryn W. Diamond, Institut für Geologie, Universität Bern; Prof. Jean-Pierre Burg, Prof. Marco Herwegh-Züger, Prof. Klaus Holliger

HEPS4Power - Extended-range Hydrometeorological Ensemble Predictions for Improved Hydropower Operations and Revenues

  • Dr. Massimiliano Zappa, Eidg., Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL, Birmensdorf ZH; Dr. Christoph Spirig, Dr. Mark Liniger, Herr Frédéric Jordan

Potential for future hydropower plants in Switzerland: a systematic analysis in the periglacial environment (PHP)

  • Prof. Robert Michael Boes, Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie, ETH Zürich; Prof. Martin Funk, Dr. Ismail Albayrak, Dr. David Vetsch

Adequate sediment handling at high-head hydropower plants to increase scheme efficiency

  • Prof. Robert Michael Boes, Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie, ETH Zürich; Dr. Ismail Albayrak, Dr. David Vetsch

Modelling permeability and stimulation for deep heat mining

  • Dr. Thomas Driesner, Institut für Geochemie und Petrologie, ETH Zürich;Prof. Stephan Konrad Matthai, Prof. Rolf Krause, Prof. Stephen Miller

Optimizing Environmental Flow Releases under Future Hydropower Operation (HydroEnv)

  • Prof. Paolo Burlando, Institut für Umweltingenieurwissenschaften, ETH Zürich; Prof. Peter Molnar, Dr. Christopher Robinson, Prof. Tom Battin, Prof. Stuart Lane

Risk Governance of Deep Geothermal and Hydro Energy

  • Prof. Stefan Wiemer, Schweizerischer Erdbebendienst, ETH Zürich; Prof. Peter Burgherr, Dr. Michael Stauffacher, Prof. Bozidar Stojadinovic, Prof. Michael Lehning, Prof. Domenico Giardini

Collaboration avec d’autres projets du PNR 70

Projet conjoint "The Future of Swiss Hydropower: An Integrated Economic Assessment of Chances, Threats and Solutions"

  • Prof. Hannes Weigt, Wirtschaftswissenschaftliche Fakultät, Universität Basel